某应变强化低温储罐内容器开裂失效分析_陈章磊.pdf

收稿日期:2022-11-05某应变强化低温储罐内容器开裂失效分析陈章磊，栾祝兵，席旭东，蒋燕(南通中集能源装备有限公司，江苏 南通 226003)摘要:采用理化性能分析、断口分析、金相组织分析等方法，对某应变强化低温储罐内容器开裂失效原因进行了分析。分析结果表明，该低温储罐内容器开裂是由储罐内应力引起的低温脆性开裂，在应变强化造成的较大残余应力、封头成型过程及应变强化过程中的马氏体组织转变共同作用下产生并扩展。根据裂纹产生原因，分析并提出了几项改进措施。关键词:应变强化;低温储罐;残余应力;组织转变;失效分析中图分类号:TH49;TB658;TQ050 6文献标志码:A文章编号:1007-7804(2023)01-0047-04doi:10.3969/j.issn.1007-7804.2023.01.013Cracking Failure Analysis for Inner Vessel ofStrain Hardening Cryogenic Storage TankCHEN Zhanglei，LUAN Zhubing，XI Xudong，JIANG Yan(Nantong CIMC Energy Equipment Co，Ltd，Nantong 226003，China)Abstract:By means of physical and chemical properties analysis，fracture analysis and metallographic structure analysis，the cracking failure of a strain hardening cryogenic storage tank inner vessel were analyzed The results of analysis indicatedthat，the cracking is a low-temperature brittle cracking caused by the internal stress of the tank，which is generated and ex-panded under the joint action of the large residual stress caused by cold stretching，the martensite transformation in the headforming process and strain hardening process According to the causes of cracks，several improvement measures are ana-lyzed and put forwardKey words:strain hardening;cryogenic storage tank;residual stress;phase transformation;failure analysis1前 言某公司制造了一台容积为 2 m3的低温液体储罐，该储罐为内外双层结构，装载介质为液氮，内容器设计压力为 3 5 MPa，最低设计金属温度为 196，材质为 S30408，内容器采用应变强化技术提高材料许用应力，绝热方式为高真空多层绝热。储罐于 2017 年完成制造，并检验合格出厂，于 2018 年1 月开始正式服役工作，至 2019 年 6 月，发现其夹层真空丢失，并于夹层空间内检测出氮气介质，确定为储罐内容器内漏导致。2裂纹介绍拆除外筒体及内容器外覆绝热材料后对储罐进行检查，在环缝附近封头直边部位发现一条裂纹，裂纹基本垂直于环缝，贯穿于内外表面，见图 1 a。外表面裂纹一端距环缝熔合线约 5 mm，裂纹长约 7 5mm，见图 1 b。内表面裂纹比外表面裂纹略宽且长，裂纹一端距环缝熔合线约 8 mm，裂纹长约 12 5mm，见图 1 c。裂纹起源和大部分裂纹均位于焊缝热影响区外，部分伸入焊缝热影响区。板材表面除焊缝热影响区因氧化变色显现灰黑色带外，均无明显氧化、腐蚀现象。第 41 卷第 1 期低 温 与 特 气Vol.41，No.12023 年 2 月Low Temperature and Specialty GasesFeb.，2023a 裂纹位置;b 外表面裂纹形貌;c 内表面裂纹形貌图 1低温储罐裂纹位置及形貌Fig 1Crack location and morphology of cryogenic storage tank3断口分析打开裂纹断口进行宏观观察可见:断面粗糙，断口呈结晶状，无明显可见变形。断口可见放射状条纹，根据放射状条纹收敛方向可以判断裂纹起源于内表面。体视显微镜下观察裂纹源区断口，可见明显沿晶断口特征，裂纹源区及整个断口未见氧化腐蚀及原始材料缺陷，为新鲜金属断口。a 裂纹源区;b 裂纹扩展区图 2断口形貌 SEM 图Fig 2SEM diagram of fracture morphology采用扫描电子显微镜(SEM)对断口试样进行观察，裂纹源区断口晶面光滑，晶界清晰，为沿晶断口形貌，断口可见较明显的沿晶二次裂纹，见图2 a。断口的中间部位及裂纹尾部裂纹扩展区断口表现为河流花样及沿晶形貌，同样有沿晶二次裂纹，为穿晶解理和沿晶形貌混合断口，见图 2 b。断口的微观分析表明裂纹源区断口以沿晶为主，扩展区为穿晶解理和沿晶混合裂纹，整个断口符合低温脆性开裂特征，表明失效部位整体内应力较大，在交变应力的作用下发生脆性开裂，裂纹源为放射条纹的交汇点。4金相检验切取垂直裂纹的金相试样进行观察，发现几乎全部奥氏体晶粒上均可见较为密集滑移线且表层相对中间层更为密集，此现象为奥氏体组织形变强化特有的组织形式，显微组织为奥氏体和形变诱发马氏体及少量铁素体，见图 3。S30408 奥氏体不锈钢在亚稳态冷成型时，部分奥氏体会发生马氏体相变，与原奥氏体保持共格，以切变的方式在极短时间内发生无扩散相变，即形变诱导马氏体相变1，对比奥氏体组织与马氏体组织，马氏体组织具有高硬度和脆性特征，在连续塑性变形或大应力作用下容易形成微裂纹2。图 3裂纹源附近显微组织Fig 3Microstructure near crack source切取裂纹周边焊缝、热影响区及筒体母材金相试样进行观察，其显微组织同样为奥氏体、形变诱发马氏体及少量铁素体，奥氏晶粒上均可见较密集滑移线，见图 4 a、4 b。封头制造形变及罐体材料制造时的应变强化过程中，过大的变形诱发了较多的形变马氏体转变。材料发生马氏体相变后强度虽不会降低，但会使材料的塑性和韧性降低3。由于奥氏体转变为马氏体是一个体积胀大的过程，材料内应力急剧增大，当应力超过材料强度时就会导致开裂。封头直边段成型后，未经热处理，存在较大的残余应力，同时产生了较大的塑性变形，导致其亚结构细化，从而使晶界承受应力的水平大幅降低4。a 焊缝及热影响区;b 母材图 4焊缝及母材显微组织形貌Fig 4Microstructure of weld and base metal84低 温 与 特 气第 41 卷5当量铁素体测试采用 FEITSCOPE FMP30 铁素体测试仪测试试件各部位的当量铁素体含量，进而间接测定试件各部位形变马氏体含量，用以表征各形变部位形变硬化程度，测试结果见表 1。表 1各部位当量铁素体含量Table 1Ferrite number test of each part测量部位铁素体数/%12345平均焊缝(外侧)10 19 99 69 68 99 6封头直边(外侧)55 6 56 0 55 3 55 3 58 0 56 0封头底部(外侧)13 5 13 6 13 6 14 0 13 6 13 7筒体母材(外侧)12 41212 8 12 3 12 1 12 3封头直边(内侧)55 5 54 4 55 8 56 8 55 4 55 6封头底部(内侧)12 4 12 6 12 3 12 3 12 2 12 4筒体母材(内侧)11 5 11 8 11 4 11 8 11 6 11 6从表1 可以看出，封头直边段开裂部位附近形变马氏体含量及形变硬化程度相当高，筒体及封头底部均有产生较高程度形变硬化，焊缝及两侧母材当量铁素体数相对较低，形变硬化程度稍低。罐体应变强化过程使封头、内筒体母材及焊缝均产生了不同程度的形变硬化，此结果与上述金相检测结果一致。测量的铁素体数高表明材料组织中形变诱发马氏体含量高，应变诱发马氏体相变与塑性变形温度、变形量、变形速率均有关系。在相同的温度和变形速率下，变形量越大，产生的形变马氏体就越多;在变形量一定时，变形速率越大，马氏体相变提供的驱动力就越大，产生的马氏体就越多;变形温度越 低，产 生 的 马 氏 体 也 越多5。6力学性能测试分别在封头直边开裂失效部位、环焊缝附近筒体母材、封头底部母材取样后加工横向拉伸试样、冲击试样及硬度试样进行检测，检测结果见表2、3。从检测结果可以看出，封头直边段开裂失效部位的强度和硬度均非常高，即形变硬化程度非常高，应变强化过程及封头压制过程对原材料性能产生了较大影响。另外封头底部和筒体母材的强度和硬度与原材料相比均有较大程度的提高，也产生了较大程度的形变硬化。表 2拉伸试验结果Table 2Tensile test results测量部位横向拉伸试验p0 2MPap1 0MPamMPaA%封头直边(开裂处)77796199316 5筒体母材(近缝区)42653287233 5封头底部49160089828 0表 3冲击及硬度试验结果Table 3Impact and hardness test results测量部位冲击韧性 KV2/J硬度(HC)123123封头直边(开裂处)57 2 59 0 60 3 39 8 37 2 40 0筒体母材(近缝区)10299 4 99 9 24 6 22 4 22 6封头底部79 5 69 5 75 6 27 3 25 7 26 47分析与讨论封头直边段由于压制形变发生较大的加工硬化作用，发生形变诱发马氏体相变，导致强度、硬度的增加和塑性、韧性的下降。形变马氏体与原奥氏体保持共格关系，以切变的形式在极短时间内发生无扩散相变，使材料发生脆化，体心立方结构的 马氏体具有较高的冷脆敏感性，在低温下易发生沿晶或穿晶解理脆性断裂，从而使金属的低温韧性显著恶化。封头表层晶粒较大，形变硬化相对严重，内应力也相对较大，沿晶脆性开裂倾向大。同时直边段热影响区呈现一种金相不均匀的夹心结构，在焊接时易形成原始裂纹的缺陷，这也是裂纹起始于焊接热影响区边缘的原因6。罐体强化变形产生较高马氏体含量及较高形变硬化，同时也造成了储罐存在较大的形变残余应力。该低温储罐装载介质为低温液氮，18-8 型不锈钢的Ms点在液氮温区之上，因而在液氮温区的低温下奥氏体也会转变成马氏体，生成的马氏体 bcc 结构的单位体积比母材奥氏体大，由于转变引起体积增大，产生较大局部剪切应力。封头直边段在压制成型及应变强化过程的共同作用下，达到较高的形变强化程度，产生了大量的形变马氏体组织，使金属的低温韧性显著恶化。服役状态下的低温储罐封头部位主要承受容器内压力产生的应力、温差应力、焊接残余应力、封头成型加工过程中产生的形变残余应力、储罐强化变形产生的残余应力等。当向储罐中注入液体时，若94第 1 期陈章磊，等:某应变强化低温储罐内容器开裂失效分析进料速度较快，罐体底部温度下降就快，内外壁温差大，使得罐体内壁承受较大的拉应力，在几个应力的叠加作用下，加剧局部的高应力，这种局部高应力为裂纹的形成以及扩展提供了有利条件，在低温韧性最薄弱的封头直边部位，靠近焊缝热影响区的表层晶粒粗大部位形成沿晶裂纹，裂纹在局部高应力的作用下不断沿晶或穿晶解理脆性扩展，最终穿透导致储罐失效。8结 论1 低温储罐封头失效开裂是由储罐内应力引起的低温脆性裂纹，裂纹起源于环焊缝热影响区外侧封头直边段内表面，裂纹源区及内表层裂纹主要为沿晶裂纹，扩